KR100912459B1 - 박막 두께 측정방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박막 두께 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 박막을 세정 및 가열한 후에 표면 오염층을 고려한 층구조 모델을 적용하고 X-선 반사율 측정법을 이용하는 박막 두께 측정방법에 대한 것이다. 이를 위해 본 발명은 박막이 형성된 기판을 세정하는 단계와; 상기 세정된 기판을 가열 후 공기 중에서 냉각하는 단계와; 상기 냉각된 기판에 X-선 입사각도에 따른 반사율(X-ray reflectivity; XRR)의 변화를 측정하여 제1 반사율곡선을 측정하는 단계와; 상기 제1 반사율곡선과 상기 박막의 오염층을 고려하는 층구조 모델을 이용하여 상기 박막의 두께를 도출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정방법을 제공한다.
X-선 반사율, 층구조 모델, 오염층, 박막 두께, 게이트 산화막

Description

박막 두께 측정방법{THE METHOD FOR MEASURING THE THICKNESS OF THIN LAYER}
본 발명은 박막 두께 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 박막을 세정 및 가열한 후에 표면 오염층을 고려한 층구조 모델을 적용하고 X-선 반사율 측정법을 이용하는 박막 두께 측정방법에 대한 것이다.
반도체 기술의 발달에 따라 최근 나노 수준의 박막 형성 기술이 급속도로 개발되고 있으며, 이에 따른 박막의 측정기술 또한 개발이 요구되고 있다.
X-선을 이용한 대표적인 박막 측정 기술로는 XPS(x-ray photoelectron spectroscopy)가 있다. 상기 XPS에서 얻어지는 스펙트럼은 그 자체만으로는 에너지 준위와 상기 에너지 준위에 따른 원소 분석만을 할 수 있기 때문에, 흔히 가우시안 보정(Gaussian curve fitting)을 함으로써 하나의 성분을 자세하게 분석할 수 있다. 따라서, 한 층의 박막인 경우에 정확한 측정이 가능하며, 두께가 수십 나노미터 수준 또는 두 개 이상의 층을 구비하게 되면 XPS로서는 정확한 평가가 불가능하다고 볼 수 있다. 또한, XPS는 두께를 평가할 때 두께 기준을 이용한 보정이 필요하므로, 주로 전자현미경 사진의 결과를 기준으로 이용해서 계산을 하는 방법을 사용한다.
상기의 문제점을 해결하기 위해, X-선 반사율(X-ray reflectivity; XRR) 측정법이 개발되고 있다. 상기 X-선 반사율 측정법은 계면간의 반사 X-선 간섭에 의한 X-선의 두께 무늬(fringe)로 측정되는 각도와 사용하는 X-선의 에너지에 의하여 두께가 결정된다. 그러므로 두께 측정을 위한 기준이 필요하지 않으며, 두 층 이상의 구조를 가지는 박막에서도 두께 측정이 가능하다. 또한 반도체용 산화막 이외의 절연막, 금속막 등 다른 모든 박막에서도 효과적으로 적용할 수 있고, 측정 두께도 서브 나노미터에서 수백 나노미터인 비교적 넓은 영역을 가지는 장점이 있다.
그럼에도 불구하고, 측정하고자하는 박막의 공기와의 접촉을 통해 발생한 오염 및 X-선의 조사 중 발생하는 유기 오염은 X-선의 반사율 곡선에 영향을 미치게 되어, 이는, 특히 수십 나노미터 이하의, 박막 두께 측정 결과에 영향을 줄 수 있는 문제점이 있다.
도 1은 X-선의 조사 또는 비조사에 따른 X-선의 반사율 변화를 나타낸 그래프이다. 도 1을 참조하면, 거울 반사 조건을 디텍터의 각도 2θ=2°, 입사각의 각도 ω=1°로 설정하고 반사율을 측정하였다. 기판을 고정하고 반사율 측정의 최적조건을 설정하고 난 후 초기에는 X-선을 조사하지 않은 상태에서 일정 시간 간격으로 거울반사 조건을 확인하였고 후반에는 X-선을 조사하면서 일정시간 간격으로 거울반사조건을 확인하였다. 그 결과 초기의 X-선을 조사하지 않은 상태에서의 시간에 따른 반사율은 측정한 2시간 동안 거의 일정하고 변화가 없는 것을 알 수 있다.
하지만 X-선을 계속 조사하는 상태에서는 시간에 따라 반사율이 점점 감소하 였음을 알 수 있다. 이것은 X-선의 조사에 의하여 시료 표면의 오염층의 상태가 변화되었음을 보여주는 것이다. 즉 X-선 조사에 의하여 유기된 오염 효과(X-ray induced contamination effect : XIC)를 나타낸 것이라 볼 수 있다. 그런데 종래에는 상기 오염층의 존재를 고려하지 않고 박막의 두께를 측정함으로써, 박막 두께 측정에 오차가 발생하는 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 박막이 형성된 기판을 세정 및 가열하여 표면오염을 최소화시킴으로서 X-선 반사율 변화에 기인한 오차를 최소화하는 박막 두께 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 박막 상에 존재하는 오염층을 고려한 층구조 모델을 적용하고, X-선 반사율 측정법을 사용함으로써 두께 측정의 정밀도를 개선시키는 박막 두께 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 박막이 형성된 기판을 세정하는 단계; 상기 세정된 기판을 가열 후 공기 중에서 냉각하는 단계; 상기 냉각된 기판에 X-선 입사각도에 따른 반사율(X-ray reflectivity; XRR)의 변화를 측정하여 제1 반사율곡선을 측정하는 단계; 및 상기 제1 반사율곡선과 상기 박막의 오염층을 고려하는 층구조 모델을 이용하여 상기 박막의 두께를 도출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정방법을 제공한다.
상기 세정된 기판은 상기 박막과 계면의 열적 변화를 방지하기 위해 100 내지 400 ℃에서 가열되는 것을 특징으로 한다.
상기 박막의 두께를 도출하는 단계는 상기 제1 반사율곡선과 상기 층구조 모델을 시뮬레이션 하여 제2 반사율 곡선을 생성하는 단계; 및 상기 변환된 제2 반사율 곡선 및 상기 제1 반사율곡선을 이용하여 상기 박막의 두께를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 층구조 모델은 상기 박막과 실리콘 기판 사이에 형성된 중간층, 상기 박막층 및 상기 박막과 공기 사이에 형성된 표면 오염층을 포함하는 3층 구조 모델이며, 상기 표면 오염층은 탄소, 수소, 산소 등과 같은 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 박막은 HfO2 게이트 절연막 및 SiO2 게이트 절연막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기판을 세정하는 단계는 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol; IPA) 용액을 이용하여 세정을 수행하며, 상기 세정 후 상기 세정된 기판을 초음파로 세척하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 박막의 두께를 측정하는 단계는 상기 기판을 진공 또는 고순도 질소, 헬륨 등의 불활성 기체분위기 내에 위치시키고 상기 박막의 두께를 측정하는 것을 특징으로 한다.
상기 세정된 기판은 상기 HfO2 게이트 절연막과 계면의 열적 변화를 방지하기 위해 100 내지 400℃ 정도의 낮은 온도에서 가열되는 것을 특징으로 한다.
제 1 항에 있어서, 상기 HfO2 게이트 절연막의 두께를 도출하는 단계는 상기 제1 반사율곡선과 상기 층구조 모델을 적용하여 시뮬레이션하여 제2 반사율 곡선을 생성하는 단계; 푸리에 분석법을 이용하여 상기 제2 반사율 곡선을 변환하는 단계; 및 상기 시뮬레이션한 제2 반사율 곡선과 측정한 제1 반사율곡선을 이용하여 상기 HfO2 게이트 절연막의 두께를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 HfO2 게이트 절연막의 두께를 도출하는 단계는 상기 제2 반사율 곡선을 변환하는 단계 이전에, 상기 제2 반사율 곡선을 정규화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 층구조 모델은 상기 HfO2 게이트 절연막과 게이트 사이에 형성된 hafnium silicate HfxSiyOz 층, 상기 HfO2 게이트 절연막 층 및 상기 HfO2 게이트 절연막과 공기 사이에 형성된 표면 오염층을 포함하는 3층구조 모델이며, 상기 표면 오염층은 탄소, 수소, 산소 등과 같은 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기판을 세정하는 단계는 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol; IPA) 용액을 이용하여 세정을 수행하며, 상기 세정 후 상기 세정된 기판을 초음파로 세척하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 HfO2 게이트 절연막의 두께를 측정하는 단계는 상기 기판을 진공 또는 고순도 질소, 헬륨 등의 불활성 기체분위기 내에 위치시키고 상기 HfO2 게이트 절연막의 두께를 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 게이트 절연막 등이 박막 두께 측정방법은 게이트 절연막이 형성된 기판을 세정, 가열 및 냉각하여 오염층의 두께를 감소시킴으로써, 더욱 개선된 두께 측정을 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 게이트 절연막 등의 박막 두께 측정방법은 표면의 오염이나 X-선 조사에 의해 유기된 오염층이 존재하여도 오염층을 고려한 층구조 모델을 적용하여 상기 게이트 절연막 등의 박막 두께를 보정할 수 있으므로 보다 정 밀한 두께를 측정할 수 있다. 즉, 세정 공정 및 진공 또는 고순도 불활성 가스 분위기 내의 X-선 조사로 1차적인 오염을 방지하고, 오염효과를 고려한 층구조 모델을 적용하여 두께 측정치를 보정함으로써 종래보다 더욱 개선된 두께 측정치를 구할 수 있다.
따라서, 두께 측정 결과의 오차를 감소시켜 종래보다 개선된 X-선 반사율 측정법을 사용함으로써 나노수준의 두께를 더욱 정확히 측정할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우는 해당되는 발명의 상세한 설명 부분에서 그 의미를 기재하였으므로 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로 본 발명을 파악하여야 한다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하지만, 본 발명이 상기 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 게이트 절연막 등의 박막의 세척 및 가열에 따른 반사율 변화를 나타내는 그래프이다. 본 발명은 다양한 박막의 두께 측정 방법을 포함하나, 설명의 편의를 위해 HfO2 또는 SiO2 시료를 이용하여 형성된 게이트 절연막을 중심으로 기술한다.
도 2의 (a)를 참조하면, HfO2 (No. 24, nominal t = 5 nm) 시료의 경우 as-received 상태와 세척/가열 후에 나타나는 거울반사 조건에서의 반사율의 변화 를 보여준다. 가열처리 후의 반사율은 as-received 상태에서의 반사율에 비하여 크게 증가한 것을 볼 수 있다. 주어진 처리 온도에 따라서는 큰 변화가 없지만 가열처리 전후의 반사율은 크게 개선이 되었다. 더구나 가열 후 공기 중에서 2 주일 정도 장시간 방치하였을 경우에는 다시 반사율이 원래대로 감소하는 것을 볼 수 있다.
또한 도 2의 (b)를 참조하면, SiO2 시료 (10T, nominal t = 10nm)에 대하여 가열처리 전후의 반사율의 변화를 보여준다. 도 2의 (a)의 HfO2 시료와 마찬가지로 열처리 전후에 반사율이 크게 개선이 되는 것을 볼 수 있고 더구나 SiO2 막에 있어서는 가열 온도가 증가함에 따라 반사율이 더 크게 개선이 되고 있으며 공기 중에서 장시간 유지 하였을 경우에는 도 2의 (a)에서와 같이 반사율이 크게 감소하는 것을 볼 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 HfO2 게이트 절연막의 세척 및 가열에 따른 X-선의 반사율 곡선의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 3을 참조하면, 곡선 A는 as-received 상태의 반사율곡선을, 곡선 B는 150℃에서 1시간 열처리 후의 반사율곡선을, 그리고 곡선 C는 열처리 후 공기 중에서 2주간 방치한 후 측정한 반사율 곡선을 나타낸다.
반사율 곡선의 전체적인 프로파일(profile)이 열처리 후에는 두께간섭무늬(fringes)의 위치와 높낮이가 다소 변하고 이것을 다시 공기 중에 장시간 유지한 경우 간섭무늬의 형태가 다시 원래대로 되돌아가고 있는 것을 알 수 있다. 따라서 도 3은 시료의 세척/가열과 공기 중 방치에 의하여 시료 표면의 오염 상태가 변화되었고 이것으로 인하여 반사율이 영향을 받고 있음을 나타낸다.
본 발명은 시료의 세척/가열에 따른 반사율의 변화를 통하여 시료 표면에 존재하는 오염층의 영향을 측정하기 위해, HfO2 시료의 세척과 가열 후에 표면에 실제로 변화하는 성분을 확인하기 위하여 XPS 분석을 실시한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 게이트 절연막의 두께 측정방법을 나타내는 흐름도이다. 도 4를 참조하면, 먼저 HfO2 게이트 절연막이 형성된 기판을 세정한다(S410). 상기 기판을 세정하는 것은 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol; IPA)용액을 이용하여 세정하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판을 이소프로필 알코올 용액에 넣고 약 3분간 끓임으로써 상기 기판을 세정할 수 있다.
나아가서, 상기 이소프로필 알코올 용액을 이용하여 세정한 후 상기 세정된 기판을 초음파 세척하는 것을 더욱 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 초음파 세척은 5 내지 30분 정도의 시간으로 수행할 수 있으며, 상기 세척 과정을 반복할 수도 있다. 상기의 이소프로필 용액 세정 및 초음파 세척으로 인해 상기 박막 상에 존재하는 오염물들을 최소화할 수 있게 된다.
상기 HfO2 게이트 절연막은 서브 나노미터에서 수백 나노미터 두께로 형성된 것일 수 있다.
다음으로, 상기 세정된 기판을 공기 중에서 가열 및 냉각 시킨다(S420). 초음파 세척 후 공기 중에서 시료를 1시간 동안 각 설정 온도에서 가열한다. 이때, HfO2 막과 계면의 열적 변화를 방지하기 위하여 설정 온도는 100, 150, 200℃로 아주 낮게 유지시킨다. HfO2는 약 400-500℃에서 성장되어지고, 상기 온도까지 계면 이나 HfO2가 변화하지 않고 열적 안정성이 유지되기 때문이다.
그 다음에 상기 가열 및 냉각된 기판에 X-선 입사각도에 따른 반사율(X-ray reflectivity; XRR)의 변화를 측정하여 반사율곡선을 측정한다(S430). 상기 X-선 반사율(X-ray reflectivity; XRR) 측정법을 이용한 반사율곡선이 측정은 상기 기판을 진공, 질소 또는 헬륨 등의 불활성 기체 분위기 내에 위치시키고, 측정을 수행함으로써 외부 오염물질을 최소화하여 두께 측정치의 오차를 최소화할 수 있다.
그 다음에 상기 HfO2 게이트 절연막 상에 존재하는 표면 오염층을 고려한 층구조 모델을 이용하여 시뮬레이션을 수행한다(S440). 상기 층구조 모델은 HfO2 게이트 절연막 상에 표면 오염층이 존재하는 것을 고려하여 만들어진다.
일반 공기 중에서 X-선을 조사한 후 결과를 조사 전과 비교해 보면 X-선 유기 오염 효과로 인해 상기 게이트 절연막 표면에 산소 및 탄소의 양이 증가한다. 따라서, X-선의 조사 후 상기 게이트 절연막 표면에 존재하는 오염층은 탄소 및 산소 등으로 구성되는 탄소를 함유하는 탄화수소 등의 물질이거나 물분자(H2O)임을 알 수 있다. 그러므로, 상기 층구조 모델의 표면 오염층은 탄소, 수소, 산소가 포함된 것일 수 있다.
그 다음에 상기 시뮬레이션을 통해 생성된 반사율 곡선을 이용하여 HfO2 게이트 절연막의 두께를 측정한다(S450). 따라서, X-선 조사에 의해 유기된 오염층이 존재하여도 상기 층구조 모델을 적용하여 상기 게이트 절연막의 두께를 보정할 수 있으므로 더욱 정밀한 두께를 측정할 수 있다. 즉, 세정 공정 진공 또는 고순도 불 활성 가스 분위기 내의 X-선 조사로 1차적인 오염을 방지하고, 오염효과를 고려한 층구조 모델을 적용하여 두께 측정치를 보정함으로써 종래보다 더욱 개선된 두께 측정치를 구할 수 있다.
층 구조 모델에 대한 시뮬레이션은 산소와 수소 및 탄소로 이루어진 오염층으로 가정하여 PANalytical사의 WinGixa 프로그램을 사용하여 계산하였으며, 상기와 같은 X-선 반사율 계산 프로그램의 알고리즘은 당업자라면 자명하게 알 수 있는 것이므로 더 이상의 설명을 생략한다.[S. K. Sinha, E. B. Sirota, S. Garoff, H.B. Stanley, Phys. Rev. B 38 2297 (1988), L. G. Parratt, Phys. Rev. 95, 359 (1954)] 또한 본 발명에서는 산소와 수소 및 탄소로 이루어진 오염층을 가정하여 계산한 것에서는 산소와 수소 및 탄소의 조성이 변하여도 궁극적으로 오염 층의 영향을 배제한 측정하고자 하는 산화층의 두께에는 의미 있는 차이가 없다.
도 5는 X-선이 전반사에 대한 임계각도 근처로 입사될 때 굴절율이 서로 다른 두 물질의 계면에서의 굴절(refaction)과 반사(reflection)를 나타내는 도면이고, 도 6은 X-선 입사각에 따른 박막의 일반적인 반사율 곡선(typical reflectivity curve)을 나타내는 도면으로서, X-선 반사율 측정법을 도시한다.
도 5를 참조하면, 기판 상에 하나의 층이 있을 때 입사되는 X-선은 공기와의 계면과 기판과의 계면에서 반사가 일어난다. 두 계면에서 반사된 X-선의 동역학적 회절이론에 의한 (dynamical diffraction theory) 이상적인 반사율은 다음의 식 (1)과 같다.
Figure 112008000276715-pat00001
여기서 r 1, r 2는 각각 공기층과 박막, 그리고 박막과 기판과의 계면 에서 Fresnel 반사계수(reflectivity coefficients)이다. 위 식에서 두 계면에서 반사된 X-선들이 서로 간섭 하고, 두께 t의 영향으로 인해 간섭 무늬가 나타남을 알 수 있다.
간섭무늬의 최대치는
Figure 112008000276715-pat00002
일 때 나타난다. X-선이 박 막과 기판 사이의 계면을 전파할 때 박막의 굴절율이 기판의 그것보다 클 때 즉,
Figure 112008000276715-pat00003
일 경우 반사 X-선은 입사 X-선의 위상과 동일하게 된다. 또한, 박막의 굴절율이 기판의 굴절율보다 작을 때 , 즉
Figure 112008000276715-pat00004
일 경우에는 반사 X-선의 위상이 변화되고 임사 X-선의 위상에 비해 π/2, 즉 반파장 만큼 앞서게 된다. 따라서 간섭 무늬의 최대치
Figure 112008000276715-pat00005
는 다음의 식 (2) 및 식 (3)과 같다.
Figure 112008000276715-pat00006
Figure 112008000276715-pat00007
그리고, 두께에 의한 간섭 무늬의 진폭은 두 물질 의 δ항의 크기 차이, 즉 물질 밀도의 차이에 의해 좌우된다.
예를 들면, SiO2/Si의 경우 에는 δ(SiO2) ~ δ(Si)이고 따라서 두께 간섭 무늬의 진폭도 대단히 작게 나타난다고 볼 수 있다. 상기 식 (1)의 Fresnel 반사율은 표면상태가 이상적일(ideal) 경우이므로, 표면이나 계면이 거칠어지 면(rough) 반사율은 더 이상 Fresnel 반사율이 적용되지 않고 훨씬 더 줄어든다고 볼 수 있다.
따라서 일반적인 물질의 표면이나 계면인 경우는 표면의 거칠기(roughness)로 인한 영향을 Debye-Waller factor 형 태의
Figure 112008000276715-pat00008
항을 고려해주므로, 일반적인 반사율 곡 선은 다음의 식 (4)와 같다.
Figure 112008000276715-pat00009
여기서 σ는 거칠기(roughness)에 대한 가우스 함수의 표준편차를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 상기에서 살펴본 것처럼 전반사가 나타나는 임계각도까지는 전반사로 인하여 반사율이 일정하지만 임계각도를 지나면서 반사율은 급격히 줄어든다. X-선 전반사에 대한 임계각도는 그 물질의 밀도에 의존하게 되므로 물질의 밀도가 클수록 임계각 도가 증가하게 된다. 또한 입사각에 따른 반사율 기울기는 물질 표면의 거칠기에 의존하여 변하게 된다. 즉 물질 표면의 거칠기가 크면 클수록 입사각에 따른 반사율은 급격하게 감소하게 된다.
그림에서 볼 수 있듯이 시료의 표면과 계면에서 반사되는 X-선의 간섭 효과에 의하여 반사율의 변화에 두께 간섭무늬가 중첩되어 전체 반사율이 결정된다. 두께에 의한 간섭효과에 의해 나타나는 간섭무늬의 간격은 박막의 두께에 반비례하게 되고 그 간격을 측정하여 박막의 두께가 결정된다. 따라서 X-선 반사율 측정법 은 박막의 두께, 표면/계면의 거칠기 그리고 물질의 밀도 등을 평가하는 중요한 방법이라 볼 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 표면 오염층을 고려한 층구조 모델을 나타낸다. 도 7을 참조하면, 전술한 것처럼 시료의 표면층에 제 3의 층(오염층)이 존재하고, 상기 오염층의 두께, 거칠기, 밀도 등의 상태에 따라 반사율곡선이 달라질 수 있다. 따라서 본 발명은 상기 오염층을 고려하여 반사율곡선을 시뮬레이션한다.
도 7은 표면에 오염층 이 있다고 가정하는 세 층 모델(three layer model)을 도시한다. XPS 분석을 통하여 전처리 전후에 나타나는 오염의 변화에 의하여 생성되는 오염층을 정확하게 정의하기는 어려우나, 상기 오염층은 C와 O 등으로 구성 되는 C을 함유하는 물질과 H2O 등을 포함한다.
중간층인 HfSiO는 실제로는 HfxSiyOz로서 x, y, z에 의하여 중간층의 물질이 정확하게 정의된다. 하지만 본 발명에서는 정확한 x, y, z를 결정할 수 없기에 결과로 나타나는 HfSiO의 개략적인 밀도로부터 HfO2 (밀도 약 10 g/cm3)와 SiO2 (밀도 약 2.2 g/cm3 )의 구성비를 결정하여 시뮬레이션할 때 입력한다. 중간층의 밀도는 대략 2.5 - 3.0 (g/cm3) 정도로 나오고 따라서 HfO2 : SiO2의 비율을 약 10 : 1에서 20 : 1로 조절하여 중간층인 HfSiO의 조성을 추정하여 사용한다 .
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 오염층을 고려한 3층 구조 모델의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다. 도 8은 두께 8 nm인 HfO2 시료 (H25d)에 대하여 층구조 모델링에 의한 시뮬레이션한 결과를 도시한다. 그림에서 파란색 반사율곡선(중간 선)은 두 층 모델을 이용하여 계산한 결과를 나타내고, 붉은색의 반 사율곡선(아래 선)은 오염층을 포함하는 세 층구조 모델을 이용하여 계산한 결과를 나타낸다.
그림에서 알 수 있듯이, 세 층구조 모델을 이용한 경우에 각도 3.0 이상에서의 측정 결과와 계산 결과의 피팅(fitting)이 크게 개선되는 것을 볼 수 있다. 두 가지 경우에 대하여 결정된 HfO2의 두께는 거의 차이가 나지 않지만 그 래프의 피팅 만족도는 3층 구조 모델에서 크게 개선되고 있다. 다른 시료에 대해서도 오염층을 고려한 3층 구조 모델에서 피팅 만족도가 크게 개선되는 동일한 결과가 나타난다.
도 8에서 오염층을 고려한 3층 구조 모델이 비록 만족스러운 피팅을 보여주고 있으나, 상기 오염층은 실제로 존재하는 그대로의 오염층이라고 보기는 힘들다. 즉 가정된 하나의 층일 수 있으며, 실제로는 다양한 상태로 오염층이 존재할 수 있다. 오염에 관련된 층을 다른 조성의 물질로 가정하든 또는 단일층이 아닌 두 개의 층이라고 가정하든 위와 같은 비슷한 만족도의 피팅 결과를 얻을 수 있다. 본 발명은 다양한 성분을 포함하는 오염층을 고려하는 3층 구조 모델을 포함한다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 X-선 반사율 곡선의 푸리에 변환을 나타 내는 그래프이다. 도 9를 참조하면, 박막 시료에 대하여 측정한 반사율 곡선의 분석은 일반적으로 시뮬레이션을 통한 곡선-피팅(curve-fitting)을 이용하여 이루어진다. 즉 두께, 표면/계면의 거칠기 그리고 막의 밀도 등의 미지의 변수들을 변화 시켜가면서 구한 반사율 곡선 시뮬레이션과 측정 데이터와의 비교를 통하여 최적의 변수를 결정하게 된다. 이러한 과정에서 입력변수들의 초기값을 사용하게 되는데 막의 두께와 관련된 간섭 진동(oscillation)(Kiessig fringes)의 주기로부터 두께에 관한 초기값을 얻을 수가 있다.
푸리에 분석법은 박막의 두께와 직접 연관이 있는 간섭무늬의 주기로부터 막의 두께를 결정하는 방법이다. 단일층의 경우 푸리에 공간에서는 하나의 피크가 나타나고 그 피크의 위치는 단일층의 두께를 나타내게 된다 . 이렇게 하여 푸리에 분석법은 박막의 두께와 직접 연관이 있는 간섭무늬의 주기로부터 막의 두께를 결정하게 된다. 다층박막의 경우에는 해당 막에 대한 각각의 임계각으로부터 각 막에 대한 두께를 결정할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 오염층의 두께와 HfO2 게이트 절연막 두께의 상관관계를 나타내는 그래프이다. 도 10은 동일한 HfO2 시료(H25, t=8 nm)에 대하여 세척 및 서로 다른 온 도에서의 가열 등 여러 조건의 전처리 과정을 거친 후에 반사율곡선을 측정하고 앞에서 살펴본 것처럼 오염 층을 포함하는 3층 구조 모델을 이용하여 반사율곡선을 시뮬레이션하고 오염층의 두께에 따른 결정된 박막의 두께 변화를 보여준다.
도 10의 (a)는 HfO2 박막에 대한 결과이고, 도 10의 (b)는 중간층인 HfSiO 박막에 대한 결과이다. 서로 다른 전처리에 의하여 가정한 오염층의 두께가 달라지고 이로 인해 결정된 박막의 두께 가 다르게 나타난다. (a)의 HfO2 박막의 경우에는 오염층의 두께에 따른 결정된 박막의 두께 변화의 기울기가 아주 작고 따라서 가정한 오염층의 영향이 없어질 때, 즉 오염층의 두께가 영(zero)이 될 때에 참값의 HfO2 박막의 두께가 될 것이다. (a)의 각 점들에 대하여 최소자승법으로 선형 피팅(linear fitting)을 하고 오염층의 두께가 영(zero)이 될 때의 HfO2 두께는 78.45Å이 된다.
반면에 (b)의 HfSiO 박막의 경우에 는 오염층의 두께에 따른 박막의 두께 변화 기울기가 (a)의 HfO2 보다 더 급하게 변화되고 있고 (a)의 HfO2 경우와 같이 외삽법(extrapolation method)으로 오염층의 두께가 영이 되고 따라서 오염층의 영향이 없어질 때 HfSiO의 두께는 17.37Å이 된다. 따라서 노미날 두께(nominal thickness)가 8 nm인 HfO2 시료 H25에 대 하여 XRR로 결정된 박막의 두께는 HfO2가 78.5Å, 그리고 중간층인 HfSiO가 17.4Å이고 전체 박막의 총 두 께는 95.8Å이다.
도 10을 보면 HfO2와 HfSiO 박막의 각 경우 오염층의 두께에 따른 막의 두께 변화, 즉 선형 피팅(linear fitting)한 직선의 기울기는 서로 다른 것을 알 수 있다. 이것은 가정한 오염층의 전자 밀도와 해당 박막의 전자밀도의 차이에 의존하는 것으로 전자밀도의 차이가 크면 전체 반사율곡선에서의 간섭된 두께 무늬는 밀도가 큰 박막의 두께 무늬가 우세하게(dominant) 나타나고 따라서 전자밀도가 큰 박 막에 크게 의존하게 될 것이다.
하지만 전자밀도 차이가 작으면 두 박막에서의 두께 간섭무늬가 서로 쉽게 간섭하게 되어 전체 반사율곡선의 두께 간섭무늬를 크게 변화시키고 따라서 오염층에 크게 좌우된다. 따라서 HfO2와 같이 밀도가 큰 물질에서는 기울기가 아주 완만 하고, SiO2와 같이 밀도가 작은 물질에서는 기울기가 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 따라서 밀도가 작은 물질에서는 그림에서와 같이 각 측정에서의 단순 평균값과 실제로 결정된 값은 큰 차이를 보일 수 있고 밀도가 큰 HfO2에서는 단순 평균값과 실제의 결정된 값과의 차이가 극히 작게 된다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라 면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 X-선의 조사 또는 비조사에 따른 X-선의 반 사율 변화를 나타내는 그래프
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 게이트 절연막의 세척 및 가열에 따른 반사율 변화를 나타내는 그래프
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 게이트 절연막의 세척 및 가열에 따른 X-선의 반사율 곡선의 변화를 나타내는 그래프
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 게이트 절연막의 두께 측정방법을 나타내는 흐름도
도 5는 X-선이 전반사에 대한 임계각도 근처로 입사될 때 굴절 율이 서로 다른 두 물질의 계면에서의 굴절(refaction)과 반사(reflection)를 나타내는 도면
도 6은 X -선 입사각에 따른 박막의 일반적인 반사율 곡선(typical reflectivity curve)을 나타내는 그래프
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 표면 오염층을 고려한 층구조 모델을 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 오염층을 고려한 3층 구조 모델의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프
도 9는 본 발명 의 일실시예에 따른 X-선 반사율 곡선의 푸리에 변환을 나타내는 그래프
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 오염층의 두께와 실리콘 산화막 두께의 상관관계를 나타낸 그래프

Claims (7)

  1. 박막이 형성된 기판을 세정하는 단계;
    상기 세정된 기판을 가열 후 공기 중에서 냉각하는 단계;
    상기 냉각된 기판에 X-선 입사각도에 따른 반사율(X-ray reflectivity; XRR)의 변화를 측정하여 제1 반사율곡선을 측정하는 단계; 및
    상기 제1 반사율곡선과 상기 박막의 오염층을 고려하는 층구조 모델을 이용하여 상기 박막의 두께를 도출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 세정된 기판은 상기 박막과 계면의 열적 변화를 방지하기 위해 100 내지 400 ℃에서 가열되는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 박막의 두께를 도출하는 단계는
    상기 제1 반사율곡선과 상기 층구조 모델을 시뮬레이션 하여 제2 반사율 곡선을 생성하는 단계; 및
    상기 변환된 제2 반사율 곡선 및 상기 제1 반사율곡선을 이용하여 상기 박막 의 두께를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 층구조 모델은 상기 박막과 실리콘 기판 사이에 형성된 중간층, 상기 박막층 및 상기 박막과 공기 사이에 형성된 표면 오염층을 포함하는 3층 구조 모델이며, 상기 표면 오염층은 탄화수소 또는 물분자(H2O)를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막은 HfO2 게이트 절연막 및 SiO2 게이트 절연막을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판을 세정하는 단계는 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol; IPA) 용액을 이용하여 세정을 수행하며, 상기 세정 후 상기 세정된 기판을 초음파로 세척하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정방법.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 박막의 두께를 측정하는 단계는 상기 기판을 진공 또는 불활성 기체분위기 내에 위치시키고 상기 박막의 두께를 측정하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정방법.
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